(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バラストからなる道床の天端近傍に載置されたまくらぎに同調質量ダンパーを設置し、該同調質量ダンパーの固有振動数を、前記まくらぎに生ずる列車走行時の振動のうち、前記道床の沈下を引き起こす振動に対応する振動数をターゲット振動数として該ターゲット振動数にほぼ一致させることで、前記まくらぎの振動が抑制されるように構成したことを特徴とするまくらぎの制振構造。
【請求項２】
前記同調質量ダンパーを、質量体としての鋼板と該質量体を振動自在に支持する弾性体としてのゴムシートとを互いに積層して構成するとともに、前記固有振動数が前記ターゲット振動数にほぼ一致するように前記鋼板の質量と前記ゴムシートの剛性とを定めた請求項１記載のまくらぎの制振構造。
【請求項３】
前記ターゲット振動数を、前記まくらぎに生ずる列車走行時の振動を実測してその時刻歴振動データを周波数分析することで求めた請求項１又は請求項２記載のまくらぎの制振構造。
【請求項４】
前記ターゲット振動数を、前記まくらぎの振動モデルに対して固有値解析を行うことで求めた請求項１又は請求項２記載のまくらぎの制振構造。
【請求項５】
前記ターゲット振動数を、前記まくらぎの両端が中央部と逆位相になる水平軸線廻りの曲げモードに対応する固有振動数とした請求項４記載のまくらぎの制振構造。
【請求項６】
前記同調質量ダンパーを前記まくらぎの両端近傍に取り付けた請求項１又は請求項２記載のまくらぎの制振構造。
【請求項７】
前記まくらぎのうち、レール同士の継目又は路盤の構造が変化する部位の近傍に配置されたまくらぎに前記同調質量ダンパーを設置した請求項１又は請求項２記載のまくらぎの制振構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バラスト軌道のまくらぎに適用されるまくらぎの制振構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
砕石や砂利で構成されたバラストを道床としたいわゆるバラスト軌道においては、列車からの動的荷重がまくらぎを介してバラストに伝わるとともに、そのときのバラスト同士の摩擦により、軌道全体の振動エネルギーの一部が熱エネルギーへと変わる。
【０００３】
そのため、コンクリート製の軌道スラブを道床としたスラブ軌道とは異なり、バラスト軌道では騒音や振動が大幅に抑制されるが、その反面、長期にわたる列車走行荷重の載荷によってバラストに割れや摩耗といった損傷を生じ、さらにはそれが原因で道床の不等沈下を招く。
【０００４】
そのため、バラスト軌道では、バラストを入れ替えるなどの保線作業が欠かせないが、かかる作業の軽減を図るべく、道床の不等沈下を未然に防止する対策がさまざまな観点で提案あるいは実施されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２５５２４９号公報
【特許文献２】特開２００３−０１３４０２号公報
【特許文献３】特開２００２−１２９５０１号公報
【特許文献４】特開２０１０−１８５２４２号公報
【特許文献５】特開平１０−８１８２７号公報
【特許文献６】特開平９−１１１７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
道床の不等沈下を防止する対策としては、道床と該道床の天端に載置されるまくらぎとの間に粘弾性材を介在させたり（特許文献１〜３）、まくらぎ直下の荷重を分散させたり（特許文献４）、道床の間隙に固結材を充填したり（特許文献５）、道床とまくらぎとの連結強度を高めたり（特許文献６）といった手法が知られている。
【０００７】
しかしながら、上述した対策を既設のバラスト軌道に適用しようとすると、大規模な工事が必要となり、経済性に乏しいという問題や、工事期間中は列車の運行を停止せねばならないという問題を生じており、道床の沈下を防止する対策としては必ずしも十分ではなかった。
【０００８】
また、道床の間隙に固結材を充填させる方法では、道床の構造が変化してしまい、騒音や振動を低減できるバラスト軌道特有の長所が失われてしまうという問題も生じていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、列車運行に支障を来したり道床の構造を変化させたりすることなく、道床の沈下をより確実かつ経済的に防止可能なまくらぎの制振構造を提供することを目的とする。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係るまくらぎの制振構造は請求項１に記載したように、バラストからなる道床の天端近傍に載置されたまくらぎに同調質量ダンパーを設置し、該同調質量ダンパーの固有振動数を、前記まくらぎに生ずる列車走行時の振動のうち、前記道床の沈下を引き起こす振動に対応する振動数をターゲット振動数として該ターゲット振動数にほぼ一致させることで、前記まくらぎの振動が抑制されるように構成したものである。
また、本発明に係るまくらぎの制振構造は、前記同調質量ダンパーを、質量体としての鋼板と該質量体を振動自在に支持する弾性体としてのゴムシートとを互いに積層して構成するとともに、前記固有振動数が前記ターゲット振動数にほぼ一致するように前記鋼板の質量と前記ゴムシートの剛性とを定めたものである。
【００１１】
また、本発明に係るまくらぎの制振構造は、前記ターゲット振動数を、前記まくらぎに生ずる列車走行時の振動を実測してその時刻歴振動データを周波数分析することで求めたものである。
【００１２】
また、本発明に係るまくらぎの制振構造は、前記ターゲット振動数を、前記まくらぎの振動モデルに対して固有値解析を行うことで求めたものである。
【００１３】
また、本発明に係るまくらぎの制振構造は、前記ターゲット振動数を、前記まくらぎの両端が中央部と逆位相になる水平軸線廻りの曲げモードに対応する固有振動数としたものである。
【００１４】
また、本発明に係るまくらぎの制振構造は、前記同調質量ダンパーを前記まくらぎの両端近傍に取り付けたものである。
【００１５】
また、本発明に係るまくらぎの制振構造は、前記まくらぎのうち、レール同士の継目又は路盤の構造が変化する部位の近傍に配置されたまくらぎに前記同調質量ダンパーを設置したものである。
【００１６】
バラスト軌道は、路盤の上に例えば断面台形状に積み上げられたバラストからなる道床と、該道床の天端近傍に道床の材軸方向に沿って列状に複数配置されたまくらぎと、該まくらぎの上に敷設されたレールとからなり、該レール上を走行する列車からの動的荷重は、レールからまくらぎ、まくらぎから道床へと順次伝達されるが、本発明に係るまくらぎの制振構造においては、バラストからなる道床の天端近傍に載置されたまくらぎに同調質量ダンパーを設置し、該同調質量ダンパーの固有振動数を、前記まくらぎに生ずる列車走行時の振動のうち、前記道床の沈下を引き起こす振動に対応する振動数をターゲット振動数として該ターゲット振動数にほぼ一致させてある。
【００１７】
このようにすると、道床沈下を招くまくらぎの振動は、同調質量ダンパーによってすみやかに収斂するとともに、振動の収斂に伴い、まくらぎから道床に伝達される運動エネルギーも減少する。
【００１８】
したがって、まくらぎから道床への動的荷重の載荷を原因としたバラストの損傷が防止されることとなり、かくして道床の沈下を未然に回避することが可能となる。また、まくらぎに同調質量ダンパーを取り付けるだけなので、簡易な工事で足りるとともに、列車の運行に与える影響を最小限にとどめることができる。
【００１９】
同調質量ダンパーは、ＴＭＤ（Tuned Mass Damper）とも呼ばれるものであって、質量体及び該質量体を振動自在に支持する弾性体を備えてなり、本発明においては上述したように、まくらぎに生ずる列車走行時の振動のうち、道床の沈下を引き起こす振動に対応する振動数をターゲット振動数とし、該ターゲット振動数に同調質量ダンパーの固有振動数がほぼ一致するように、質量体及び弾性体を構成する。
【００２０】
同調質量ダンパーは、道床の沈下を引き起こす振動、すなわちターゲット振動数における振動と同じ方向、例えば鉛直方向に質量体が振動するように構成する。具体的に説明すると、質量体を鋼板、弾性体をゴムシートとし、それらを互いに積層して構成する例において、ターゲット振動数における振動が鉛直方向の場合には、ゴムシートの軸方向剛性で鋼板を振動させ、ターゲット振動数における振動が水平方向の場合には、ゴムシートのせん断剛性で鋼板を振動させるように構成すればよい。
【００２１】
ターゲット振動数をどのように求めるかは任意であって、例えば、まくらぎに生ずる列車走行時の振動を実測してその時刻歴振動データを周波数分析することにより、あるいはまくらぎを必要に応じてレールや道床とともにモデル化し、その振動モデルに対し固有値解析を行うことにより、それぞれ求めることができる。
【００２２】
ここで、固有値解析でターゲット振動数を求める場合、ターゲット振動数を、まくらぎの両端が中央部と逆位相になる水平軸線廻りの曲げモードに対応する固有振動数としたならば、まくらぎから道床に作用する動的荷重のうち、該まくらぎの底面にわたって不均一となる荷重の伝達が抑制されることとなり、かかる不均一な動的荷重に起因したバラストの損傷を未然に防止することが可能となる。
【００２３】
同調質量ダンパーは、道床沈下を招くまくらぎの振動を抑制することができる限り、まくらぎへの設置場所は任意であって、まくらぎの中央部に設置することも考えられるが、まくらぎの両端近傍に取り付けるようにした場合には、道床の沈下を引き起こす振動を確実に抑制することができる。
【００２４】
すなわち、本出願人が行ったまくらぎの固有値解析によれば、まくらぎ全体が振動する剛体モードや、まくらぎの両端が中央部と逆位相になる水平軸線廻りあるいは鉛直軸線廻りの曲げモードが低次に出現する傾向にあり、ゆえに、いずれの振動モードが卓越するにしろ、両端の振動を抑えてやることで、まくらぎ全体の振動を抑制することが可能となる。
【００２５】
また、かかる構成においては、同調質量ダンパーの設置作業がレールの側方のみにとどまり、レール間には及ばないため、列車の運行を止めずとも同調質量ダンパーの設置作業を行うことが可能となる。
【００２６】
同調質量ダンパーは、列状に配置された複数のまくらぎのうち、どのまくらぎに設置するかは任意であって、例えば全てのまくらぎに設置してもかまわないが、道床沈下は、大きな衝撃が加わる箇所で生じやすい。そのため、かかる箇所に限定してまくらぎを設置するようにすれば、わずかな費用でより大きな効果を得ることができる。
【００２７】
大きな衝撃を加わる箇所としては例えば、締結部や溶接部といったレール同士の継目や路盤の構造が変化する部位、例えば橋梁における構造物境界が該当する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施形態に係るまくらぎの制振構造の全体断面図。
【図２】同じく全体斜視図。
【図３】本実施形態に係るまくらぎの制振構造の作用を説明した概念図。
【図４】変形例に係るまくらぎの制振構造の作用を説明した概念図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明に係るまくらぎの制振構造の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００３０】
図１は、本実施形態に係るまくらぎの制振構造を示した全体断面図である。同図でわかるように、本実施形態に係るまくらぎの制振構造１は、路盤２の上に断面台形状に積み上げられたバラスト３からなる道床４と、該道床の天端近傍に道床４の材軸方向に沿って列状に複数配置されたまくらぎ５と、該まくらぎの上に敷設されたレール６，６とからなるバラスト軌道７に適用されるものであって、まくらぎ５には同調質量ダンパー８，８を設置してある。
【００３１】
図２は、まくらぎの制振構造１を示した全体斜視図である。同図でわかるように、同調質量ダンパー８は、質量体としての鋼板２１及び該質量体を振動自在に支持する弾性体としてのゴムシート２２を互いに積層して構成してあるとともに、鋼板２１が上、ゴムシート２２が下になるように、まくらぎ５の両端上面にそれぞれ設置してある。
【００３２】
鋼板２１は、矩形プレートで構成してあり、その質量を例えばまくらぎ５の数％に調整してある。ここで、鋼板２１は、それ自体を積層構造とすることにより、合理的なコストで十分な質量を持つ質量体として構成することができる。
【００３３】
ゴムシート２２は、鋼板２１と同様に矩形シートで構成してあり、質量体である鋼板２１を別途定められる固有振動数で鉛直方向（上下方向）に振動させることができるよう、耐候性などを考慮してその材質を適宜定めてある。ここで、ゴムシート２２は、それ自体を積層構造とすることにより、合理的なコストで所要の復元力特性を持つ弾性体として構成することができる。
【００３４】
鋼板２１及びゴムシート２２は、振動で互いに離間することがないよう、接着剤等で強固に固着するとともに、ゴムシート２２は、同調質量ダンパー８全体が振動でまくらぎ５から外れることがないよう、例えば図示しないベースプレートを介してまくらぎ５に強固に連結しておくのがよい。
【００３５】
同調質量ダンパー８は、その固有振動数が、まくらぎ５に生ずる列車走行時の振動のうち、道床４の沈下を引き起こす振動に対応する振動数をターゲット振動数として該ターゲット振動数にほぼ一致するように、鋼板２１の質量とゴムシート２２の剛性とを定めてあるとともに、ターゲット振動数における振動が鉛直方向であれば、ゴムシート２２の軸方向剛性で鋼板２１を振動させるように構成し、ターゲット振動数における振動が水平方向であれば、ゴムシート２２のせん断剛性で鋼板２１を振動させるように構成してある。ゴムシート２２の軸方向剛性やせん断剛性は、その厚みや面積を適宜調整することで所望の大きさに調整すればよい。
【００３６】
ターゲット振動数は、まくらぎ５を必要に応じてレール６や道床４とともにモデル化し、その振動モデルに対して固有値解析を行うことで求めることが可能であり、例えば、全体が振動する剛体モードや、まくらぎ５の両端が中央部と逆位相になる水平軸線廻りあるいは鉛直軸線廻りの曲げモードに対応する固有振動数をターゲット振動数とすることができる。
【００３７】
本実施形態に係るまくらぎの制振構造１においては、バラスト３からなる道床４の天端近傍に載置されたまくらぎ５に同調質量ダンパー８，８を設置するとともに、該同調質量ダンパーの固有振動数を、上述したターゲット振動数にほぼ一致させてある。
【００３８】
このようにすると、列車走行によって生じるまくらぎ５の振動のうち、道床４の沈下を引き起こす振動は、同調質量ダンパー８によってすみやかに収斂するとともに、振動の収斂に伴い、まくらぎ５から道床４に伝達される運動エネルギーも減少する。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態に係るまくらぎの制振構造１によれば、同調質量ダンパー８によってまくらぎ５の振動が収斂し、まくらぎ５から道床４に伝達される運動エネルギーも減少するので、まくらぎ５から道床４への動的荷重の載荷を原因としたバラスト３の損傷が防止されることとなり、かくして道床４の沈下を未然に回避することが可能となる。
【００４０】
また、本実施形態に係るまくらぎの制振構造１によれば、まくらぎ５に同調質量ダンパー８を取り付けるだけなので、簡易な工事で足りるとともに、列車の運行に与える影響を最小限にとどめることができる。
【００４１】
また、本実施形態に係るまくらぎの制振構造１によれば、同調質量ダンパー８をまくらぎ５の両端近傍にそれぞれ取り付けるようにしたので、道床４の沈下を引き起こすまくらぎ５の振動を確実に抑制することが可能となる。
【００４２】
すなわち、まくらぎ５の振動モデルに対して固有値解析を行うとともに、まくらぎ５の試験体を作成して加振試験を行った結果、道床４の沈下を引き起こす可能性がある振動として、まくらぎ５全体が振動する剛体モードに加えて（６自由度）、図３に示すように、まくらぎ５の両端が中央部と逆位相になる水平軸線廻りの曲げモード（同図(a)、座標軸は図２参照）、まくらぎ５の両端が中央部と逆位相になる鉛直軸線廻りの曲げモード（同図(b)、同上）の計８つの振動モードが低次で出現することがわかった。
【００４３】
一方、これらの振動モードは、まくらぎ５の材軸廻りの捩れモードを除き、すべてにおいて、まくらぎ５の両端で振幅が大きくなるモード形状となっている。
【００４４】
したがって、これらの振動モードのうち、どの振動モードを、道床４の沈下を引き起こす振動と特定したとしても、まくらぎ５の両端の振幅を抑えるようにすれば、道床４の沈下を引き起こす振動を確実に抑制することができる。
【００４５】
また、本実施形態に係るまくらぎの制振構造１によれば、同調質量ダンパー８，８の設置作業がレール６，６の外側にとどまり、レール６，６間には及ばない。そのため、既設のバラスト軌道７への適用が容易であることはもちろん、列車の運行を止めずとも、同調質量ダンパー８の設置作業を行うことが可能となる。
【００４６】
本実施形態では、ターゲット振動数を固有値解析で求めるようにしたが、これに代えて、まくらぎに生ずる列車走行時の振動を実測し、その時刻歴振動データを周波数分析することで求めるようにしてもかまわない。
【００４７】
また、本実施形態ではターゲット振動数として任意の振動数を想定したが、図４(a)に示すようにまくらぎ５の底面にわたって不均一な荷重が道床４に作用し、これがバラスト３の損傷を引き起こす原因となるケースにおいては、まくらぎ５の両端が中央部と逆位相で上下振動する水平軸線廻りの曲げモードに対応する固有振動数をターゲット振動数とすればよい。
【００４８】
かかる構成によれば、上述した振動モードでのまくらぎ５の振動が同調質量ダンパー８によって抑制されるため、まくらぎ５から道床４に作用する動的荷重は図４(b)に示すように均一な状態へと変化し、かくして不均一な動的荷重に起因したバラスト３の損傷を未然に防止することが可能となる。
【００４９】
また、本実施形態では特に言及しなかったが、道床沈下は、大きな衝撃が加わる箇所で生じやすい。これを踏まえ、レール同士の継目又は路盤の構造が変化する部位の近傍に配置されたまくらぎ５に限定して同調質量ダンパー８を設置するようにしたならば、わずかな費用であっても道床４の沈下を効率よく防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００５０】
１      まくらぎの制振構造
２      路盤
３      バラスト
４      道床
５      まくらぎ
６      レール
７      バラスト軌道
８      同調質量ダンパー
２１      鋼板（質量体）
２２      ゴムシート（弾性体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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